JP2016054314A - マルチモードのモノリシック垂直共振器面発光レーザアレイ及びこれを含むレーザシステム - Google Patents

Abstract

【課題】モノリシックＶＣＳＥＬアレイにおいて、各ＶＣＳＥＬは、異なる波長においてレーザ光を放射するように構成する。
【解決手段】モノリシック面発光レーザアレイは、反射体１０４と、発光層１０２と、２つ以上の非周期的なサブ波長回折格子を用いて構成される回折格子層１１２とを備える。各回折格子は反射体とともに空洞共振器を形成するように構成されており、各回折格子は、１つ以上の内部共振器モードを実現し、かつ回折格子を通って放射される１つ以上の外部横モードを実現する回折格子パターンを用いて構成される。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明の種々の実施の形態はレーザに関し、詳細には半導体レーザに関する。

半導体レーザは、数例を挙げると、ディスプレイ、固体照明、センシング、印刷及び電気通信を含む多種多様の用途において用いることができるので、現在使用されている最も重要な種類のレーザのうちの１つを代表するものである。主に使用されている２つのタイプの半導体レーザが端面発光レーザ及び面発光レーザである。端面発光レーザは、発光層に対して実質的に平行な方向に進行する光を生成する。一方、面発光レーザは、発光層に対して垂直に進行する光を生成する。面発光レーザは、通常の端面発光レーザよりも優れた複数の利点を有する。面発光レーザは、より効率的に光を放射することができ、２次元発光アレイを形成するように配列することができる。

２つの反射体に狭持される発光層によって構成される面発光レーザは、垂直共振器面発光レーザ（「ＶＣＳＥＬ」）と呼ばれる。その反射体は通常、分布ブラッグ反射体（「ＤＢＲ」）であり、理想的には、光学的なフィードバックのために、９９％よりも高い反射率（reflectivity）を有する反射共振器を形成する。ＤＢＲは複数の交互層で構成され、各層は、周期的に屈折率が変化する誘電体又は半導体材料で構成される。ＤＢＲ内の２つの隣接する層は異なる屈折率を有し、「ＤＢＲ対」と呼ばれる。ＤＢＲ反射率及び帯域幅は、各層の構成材料の屈折率コントラスト、及び各層の厚みに依拠する。ＤＢＲ対を形成するために用いられる材料は通常、同じような組成を有し、それゆえ、比較的小さな屈折率差を有する。それゆえ、９９％よりも高い共振器反射率を達成するために、かつ狭いミラー帯域幅を与えるために、ＤＢＲは、いずれかの場所に約１５〜約４０、又はそれよりも多くのＤＢＲ対を有するように構成される。しかしながら、９９％よりも高い反射率を有するＤＢＲを作製することは、電磁スペクトルの青緑及び長赤外線部分の波長を有する光を放射するように設計されたＶＣＳＥＬの場合に特に、難しいことがわかっている。

物理学者及び技術者は、ＶＣＳＥＬの設計、動作及び効率を引き続き改善しようとしている。

本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される一例のモノリシックＶＣＳＥＬアレイの等角図である。 本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される、図１Ａに示されるモノリシックＶＣＳＥＬアレイの組立分解等角図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、図１Ａに示される線Ａ−Ａに沿ったＶＣＳＥＬアレイの断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、１次元回折格子パターンを用いて構成されるサブ波長回折格子の平面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、２次元回折格子パターンを用いて構成されるサブ波長回折格子の平面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、２次元回折格子パターンを用いて構成されるサブ波長回折格子の平面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、反射光によって取得された位相を明らかにする２つの別々の回折格子サブパターンからのラインの断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、反射波面がいかに変化するかを明らかにする２つの別々の回折格子サブパターンからのラインの断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される回折格子パターンによって生成される例示的な位相変化等高線図の等角図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、入射光を焦点に合焦させるように構成されるサブ波長回折格子の側面図である。 本発明の１つ以上の実施形態に従って構成されるサブ波長回折格子のための入射光波長の範囲にわたる反射率（reflectance）及び位相シフトのプロット図である。 本発明の１つ以上の実施形態に従って得られた周期及びデューティサイクルの関数としての位相変動の位相等高線プロットを示す図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、集光円筒鏡として動作するように構成される１次元サブ波長回折格子の平面図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、集光球面鏡として動作するように構成される１次元サブ波長回折格子の平面図である。 図１１Ａおよび図１１Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態に従って動作するＶＣＳＥＬアレイの空洞共振器の断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態に従って構成されるＶＣＳＥＬアレイに関連付けられる仮想共振器モード及び輝度又は利得プロファイルのプロット例である。 本発明の１つ以上の実施形態に従って構成されるＶＣＳＥＬアレイ内の１つのＶＣＳＥＬの空洞共振器を概略的に表す平凹共振器を示す図である。 本発明の１つ以上の実施形態による、ＶＣＳＥＬアレイのＶＣＳＥＬから光を放射することができる種々の方法を示す図である。 図１５Ａは、本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される第２の例のＶＣＳＥＬアレイの等角図である。図１５Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される第２の例のＶＣＳＥＬアレイの線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。 図１６Ａは、本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される第３の例のＶＣＳＥＬアレイの等角図である。図１６Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される第３の例のＶＣＳＥＬアレイの線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。 本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される一例のレーザシステムの等角図である。

本発明の種々の実施形態はモノリシックＶＣＳＥＬアレイを対象とし、モノリシックＶＣＳＥＬアレイにおいて、各ＶＣＳＥＬは、異なる波長においてレーザ光を放射する（lase）ように構成することができる。ＶＣＳＥＬアレイ内の各ＶＣＳＥＬは１つ以上の平坦で、非周期的なサブ波長回折格子（「ＳＷＧ」）を含む。各ＶＣＳＥＬのＳＷＧは、異なる回折格子構成を有するように構成することができ、それにより各ＶＣＳＥＬが異なる波長においてレーザ光を放射できる。各ＶＣＳＥＬのＳＷＧは、内部共振器モードの形状、及びＶＣＳＥＬから放射される外部モードの形状を制御するように構成することができる。各ＶＣＳＥＬは、小さなモード体積、概ね単一の空間出力モードを有し、狭い波長範囲にわたって光を放射し、単一偏光の光を放射するように構成することができる。

以下の説明では、用語「光」は、電磁スペクトルの赤外線及び紫外線部分を含む、電磁スペクトルの可視部分及び非可視部分内の波長を有する電磁放射を指す。

以下の説明では、簡単化及び便宜上のために、本発明のＶＣＳＥＬアレイ実施形態は、４つのＶＣＳＥＬからなる正方形配列を有するものとして説明されることにも留意されたい。しかしながら、本発明の実施形態はそのように限定されることを意図していない。ＶＣＳＥＬアレイ実施形態は実際には、任意の適切な数のＶＣＳＥＬを用いて構成することができ、ＶＣＳＥＬはモノリシックＶＣＳＥＬアレイ内で任意の適切な配列を有することができる。

垂直共振器面発光アレイ
図１Ａは、本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される一例のモノリシックＶＣＳＥＬアレイ１００の等角図を示す。ＶＣＳＥＬアレイ１００は、分布ブラッグ反射体（「ＤＢＲ」）１０４上に配置される発光層１０２を含む。ＤＢＲ１０４は更に基板１０６上に配置され、基板１０６は第１の電極１０８上に配置される。ＶＣＳＥＬアレイ１００は、発光層１０２上に配置される絶縁層１１０、層１１０上に配置される回折格子層１１２、及び回折格子層１１２上に配置される第２の電極１１４も含む。図１Ａの例において示されるように、第２の電極１１４は、４つの長方形の開口部１１６〜１１９を有するように構成され、各開口部は回折格子層１１２の一部を露出させる。矢印１２０〜１２３によって示されるように、各開口部によって、発光層１０２から放射される光の縦モード又は軸モードが、層のｘｙ平面に対して実質的に垂直にＶＣＳＥＬから出られるようになる（すなわち、光の縦モードはｚ方向において各開口部を通ってＶＣＳＥＬアレイ１００から放射される）。

図１Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態に従って構成されるＶＣＳＥＬアレイ１００の組立分解等角図を示す。その等角図は、絶縁層１１０内の４つの開口部１２６〜１２９、及び回折格子層１１２内の４つのＳＷＧ１３２〜１３５を明らかにする。開口部１２６〜１２９によって、発光層１０２から放射される光が、対応するＳＷＧ１３２〜１３５にそれぞれ達することができるようになる。本発明の実施形態は、長方形の形状を有する開口部１１６〜１１９及び１２６〜１２９には限定されないことに留意されたい。他の実施形態では、第２の電極及び絶縁層内の開口部は正方形、円形、楕円形又は任意の他の適切な形状とすることができる。

各ＳＷＧ１１６〜１１９は、モノリシックＶＣＳＥＬアレイ１００内の別々のＶＣＳＥＬを画定することに留意されたい。ＳＷＧ１１６〜１１９がそれぞれ異なる波長においてレーザ光を放射するように構成できることを除いて、ＳＷＧ１１６〜１１９によって画定される４つのＶＣＳＥＬは全て同じＤＢＲ１０４及び発光層１０２を共用する。例えば、図１Ａに示されるように、ＳＷＧ１１６〜１１９はそれぞれ波長λ_１、λ_２、λ_３及びλ_４を有する光を放射するように構成される。後に更に詳細に説明されるように、各ＳＷＧは、異なる偏光を有する光を放射するか、又は無偏光の光を放射するように構成することもできる。

層１０４、１０６及び１１２は、適切な化合物半導体材料の種々の組み合わせで構成される。化合物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体及びＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を含む。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、窒素（「Ｎ」）、リン（「Ｐ」）、ヒ素（「Ａｓ」）及びアンチモン（「Ｓｂ」）から選択された列Ｖａ元素と組み合わせた、ホウ素（「Ｂ」）、アルミニウム（「Ａｌ」）、ガリウム（「Ｇａ」）及びインジウム（「Ｉｎ」）から選択された列ＩＩＩａ元素で構成される。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、二元化合物半導体、三元化合物半導体、四元化合物半導体のように、ＩＩＩ元素及びＶ元素の相対的な量に従って分類される。例えば、二元半導体化合物は、限定はしないが、ＧａＡｓ、ＧａＡｌ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ及びＧａＰを含む。三元化合物半導体は、限定はしないが、Ｉｎ_ｙＧａ_ｙ−１Ａｓ又はＧａＡｓ_ｙＰ_１−ｙを含む。ただし、ｙは０〜１の範囲にある。四元化合物半導体は、限定はしないが、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙを含む。ただし、ｘ及びｙはいずれも独立して０〜１の範囲にある。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は、酸素（「Ｏ」）、硫黄（「Ｓ」）及びセレン（「Ｓｅ」）から選択されたＶＩａ元素と組み合わせた亜鉛（「Ｚｎ」）、カドミウム（「Ｃｄ」）、水銀（「Ｈｇ」）から選択された列ＩＩｂ元素により構成される。例えば、適切なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は、限定はしないが、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ及びＺｎＯを含み、それらは二元ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の例である。

ＶＣＳＥＬアレイ１００の層は、化学気相成長、物理気相成長又はウェハーボンディングを用いて形成することができる。ＳＷＧ１３２〜１３５は、反応性イオンエッチング、集束ビームミリング、又はナノインプリントリソグラフィーを用いて回折格子層１１２内に形成することができ、回折格子層１１２は絶縁層１１０に結合させることができる。

或る実施形態では、層１０４及び１０６はｐ型不純物をドープされ、一方、層１１２はｎ型不純物をドープされる。他の実施形態では、層１０４及び１０６はｎ型不純物をドープされ、一方、層１１２はｐ型不純物をドープされる。ｐ型不純物は、半導体格子の中に組み込まれ、層の電子バンドギャップに、「正孔」と呼ばれる空の電子エネルギー準位を導入する原子である。これらのドーパントは「電子受容体」とも呼ばれる。一方、ｎ型不純物は、半導体格子の中に組み込まれ、層の電子バンドギャップに充満した電子エネルギー準位を導入する原子である。これらのドーパントは「電子供与体」とも呼ばれる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では、列ＶＩ元素がＩＩＩ−Ｖ格子内の列Ｖ原子と置き換わり、ｎ型ドーパントとしての役割を果たし、列ＩＩ元素がＩＩＩ−Ｖ格子内の列ＩＩＩ原子と置き換わり、ｐ型ドーパントとしての役割を果たす。

絶縁層１１０は、ＳｉＯ_２若しくはＡｌ_２Ｏ_３又は大きな電子バンドギャップを有する別の適切な材料のような、絶縁性材料により構成することができる。電極１０８及び１１４は、金（「Ａｕ」）、銀（「Ａｇ」）、銅（「Ｃｕ」）又はプラチナ（「Ｐｔ」）のような適切な導体により構成することができる。

図２は、本発明の１つ以上の実施形態による、図１Ａに示される線Ａ−Ａに沿ったＶＣＳＥＬアレイ１００の断面図を示す。その断面図は、個別の層からなる構造を明らかにする。ＤＢＲ１０４は、発光層１０２に対して平行に向けられるＤＢＲ対のスタックにより構成される。実際には、ＤＢＲ１０４は、約１５〜約４０又はそれ以上のＤＢＲ対により構成することができる。ＤＢＲ１０４のサンプル部分の拡大図２０２は、ＤＢＲ１０４の層がそれぞれ約λ／４ｎ及びλ４ｎ’の厚みを有することを明らかにする。ただし、λは発光層１０２から放射される光の真空波長であり、ｎはＤＢＲ層２０６の屈折率であり、ｎ’はＤＢＲ層２０４の屈折率である。濃い網掛けの層２０４は、第１の半導体材料により構成されるＤＢＲ層を表し、薄い網掛けの層２０６は、第２の半導体材料により構成されるＤＢＲ層を表し、層２０４及び２０６は関連する屈折率が異なる。例えば、層２０４はＧａＡｓにより構成することができ、３．６の近似的な屈折率を有し、層２０６はＡｌＡｓにより構成することができ、２．９の近似的な屈折率を有し、層１０６はＧａＡｓ又はＡｌＡｓにより構成することができる。

図２は、発光層１０２の拡大図２０８も含み、発光層１０２を構成する層のための１つ以上の取り得る構成を明らかにする。拡大図２０８は、発光層１０２が障壁層２１２によって分離される３つの別々の量子井戸層（「ＱＷ」）２１０により構成されることを明らかにする。ＱＷ２１０は、閉じ込め層２１４間に配置される。ＱＷ２１０を構成する材料は、障壁層２１２及び閉じ込め層２１４よりも小さな電子バンドギャップを有する。発光層１０２の全厚が概ね、発光層１０２から放射される光の波長になるように、閉じ込め層２１４の厚みを選択することができる。層２１０、２１２及び２１４は、異なる真性半導体材料により構成される。例えば、ＱＷ層２１０は、ＩｎＧａＡｓ（例えば、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ）により構成することができ、障壁層２１２はＧａＡｓにより構成することができ、閉じ込め層はＧａＡｌＡｓにより構成することができる。本発明の実施形態は、３つのＱＷを有する発光層１０２には限定されない。他の実施形態では、発光層は、１つ、２つ、又は４つ以上のＱＷを有することができる。

図２は、回折格子層１１２の構成も明らかにする。ＳＷＧ１３２及び１３３は、回折格子層１１２の残りの部分よりも薄く、ＳＷＧ１３２及び１３３と発光層１０２との間に空
隙２１６及び２１７を作り出すために、発光層１０２の上方に浮いた状態で支持（suspend）される。図２及び図１Ｂに示されるように、ＳＷＧ１３２〜１３５は、１つのエッジ
に沿って回折格子層１１２に取り付けることができ、空隙が回折格子層１１２からＳＷＧ１３２〜１３５の３つの残りのエッジを分離している。例えば、図２に示されるように、空隙２１６がＳＷＧ１３２を回折格子層１１２から分離し、空隙２２０がＳＷＧ１３３を回折格子層１１２から分離する。また、回折格子層１１２及び絶縁層１１０は、回折格子層１１２の部分２２２が絶縁層１１０の開口部を通して発光層１０２と接触するように構成される。絶縁層１１０は、回折格子層１１２の部分２２２を通る電流の流れを抑制する。ＳＷＧ１３２〜１３５及びＤＢＲ１０４は、ＶＣＳＥＬアレイ１００の各ＶＣＳＥＬがレーザ光を放射している間に、光学的なフィードバックのための反射共振器を形成する反射体である。例えば、ＳＷＧ１３２及びＤＢＲ１０４は、ＶＣＳＥＬアレイ１００の第１のＶＣＳＥＬの光共振器を形成し、ＳＷＧ１３３及びＤＢＲ１０４は、ＶＣＳＥＬアレイ１００の第２のＶＣＳＥＬの光共振器を形成する。また、ＳＷＧ１３４及び１３５も、ＤＢＲ１０４と別々の光共振器、すなわち、ＶＣＳＥＬアレイ１００の第３及び第４のＶＣＳＥＬに関連付けられる光共振器を形成する。

非周期的なサブ波長回折格子
上記のように、回折格子層１１２のＳＷＧ１３２〜１３５は、発光層１０２の上方に浮いた状態で支持される平面膜として実装される。本発明の１つ以上の実施形態に従って構成されるＳＷＧは、ＶＣＳＥＬアレイ１００の対応する共振器の中に反射して戻される光の波面の形状の制御、及び図１Ａに示されるように、第２の電極１１４内の対応する開口部を通って放射される光の波面の形状の制御を含む、反射機能を提供する。これは、ＳＷＧの高い反射率に実質的に影響を及ぼすことなく、ＳＷＧから反射される光の位相を制御する非周期的なサブ波長回折格子パターンを有するように各ＳＷＧを構成することによって成し遂げることができる。後に示されるように、或る実施形態では、ＳＷＧが円筒鏡又は球面鏡として動作できるようにする回折格子パターンを有するように、ＳＷＧを構成することができる。

簡単にするために、以下の説明では、回折格子層の１つのＳＷＧだけを構成することが説明されることに留意されたい。実際には、回折格子層は多数のＳＷＧを実際に含むことができ、回折格子層の各ＳＷＧは後に説明されるように構成することができる。

図３Ａは、本発明の１つ以上の実施形態による、回折格子層サブパターン３０２内に形成される１次元回折格子パターンを用いて構成されるＳＷＧ３００の平面図を示す。１次元回折格子パターンは、複数の１次元回折格子サブパターンにより構成される。図３Ａの例では、３つの回折格子サブパターン３０１〜３０３が拡大される。図３Ａにおいて表される実施形態では、各回折格子サブパターンは、回折格子層３０２内に形成される、「ライン」と呼ばれる、回折格子層１０２材料の規則的に間隔を置いて配置される複数のワイヤ状の部分を含む。ラインはｙ方向に延在し、ｘ方向において周期的に間隔を置いて配置される。また、図３Ａは、回折格子サブパターン３０２の拡大された端面図３０４も含む。ライン３０６は、溝３０８によって分離される。各サブパターンは、特定の周期的なライン間隔、及びｘ方向におけるライン幅によって特徴付けることができる。例えば、サブパターン３０１は、周期ｐ_１だけ分離された幅ｗ_１のラインを含み、サブパターン３０２は、周期ｐ_２だけ分離された幅ｗ_２のラインを含み、サブパターン３０３は、周期ｐ_３だけ分離された幅ｗ_３のラインを含む。

回折格子サブパターン３０１〜３０３は、サブ波長回折格子を形成し、その回折格子は、周期ｐ_１、ｐ_２及びｐ_３が入射光の波長よりも小さいという条件で、１つの方向、すなわち、ｘ方向に偏光された入射光を優先的に反射する。例えば、入射光の波長に応じて、ライン幅は約１０ｎｍ〜約３００ｎｍの範囲とすることができ、周期は約２０ｎｍ〜約１
μｍの範囲とすることができる。或る領域から反射された光は、ライン厚ｔによって決まる位相φ、及び以下のように定義されるデューティサイクルηを取得する。

ただし、ｗはライン幅であり、ｐはラインの周期間隔である。

ＳＷＧ３００は、非常に高い反射率を保持しながら、反射光に特定の位相変化を加えるように構成することができる。１次元ＳＷＧ３００は、ラインの周期、ライン幅及びライン厚を調整することによって、入射光のｘ偏光成分又はｙ偏光成分を反射するように構成することができる。例えば、ｘ偏光成分を反射するが、ｙ偏光成分を反射しないために、特定の周期、ライン幅及びライン厚が適している場合があり、ｙ偏光成分を反射するが、ｘ偏光成分を反射しないために、異なる周期、ライン幅及びライン厚が適している場合がある。

本発明の実施形態は、１次元回折格子には限定されない。ＳＷＧは、極性の影響を受けない光（polarity insensitive light）を反射するために、２次元非周期的回折格子パターンを有するように構成することができる。図３Ｂ〜図３Ｃは、本発明の１つ以上の実施形態による、２次元非周期的なサブ波長回折格子パターンを有する２つの平坦なＳＷＧ例の平面図を示す。図３Ｂの例では、ＳＷＧは、溝によって分離されるラインではなく、ポストにより構成される。デューティサイクル及び周期は、ｘ及びｙ方向において変動させることができる。拡大図３１０及び３１２は、２つの異なる長方形のポストサイズの平面図を示す。図３Ｂは、拡大図３１０を構成するポストの等角図３１４を含む。本発明の実施形態は、長方形のポストには限定されず、他の実施形態では、ポストは正方形、円形、楕円形又は任意の他の適切な形状とすることができる。図３Ｃの例では、ＳＷＧは、ポストではなく、穴として構成される。拡大図３１６及び３１８は、２つの異なる長方形の穴サイズを示す。デューティサイクルはｘ及びｙ方向において変更することができる。図３Ｃは、拡大図３１６を構成する等角図３２０を含む。図３Ｃにおいて示される穴は長方形であるが、他の実施形態では、穴は正方形、円形、楕円形又は任意の他の適切な形状とすることができる。

他の実施形態では、１次元及び２次元の両方の回折格子パターンにおいて、ライン間隔、厚み及び周期を連続的に変動させることができる。

ＳＷＧ３００の各回折格子サブパターン３０１〜３０３は、各サブパターンに関連付けられるデューティサイクル及び周期が異なることに起因して、１つの方向、例えば、ｘ方向に偏光された入射光を異なるように反射する。図４は、本発明の１つ以上の実施形態による、反射光によって取得される位相を明らかにする２つの別々の回折格子サブパターンからのラインの断面図を示す。例えば、ライン４０２及び４０３は、ＳＷＧ４００内に配置される第１の回折格子サブパターン内のラインとすることができ、ライン４０４及び４０５は、ＳＷＧ４００内の他の場所に配置される第２の回折格子サブパターン内のラインとすることができる。ライン４０２及び４０３の厚みｔ_１は、ライン４０４及び４０５の厚みｔ_２よりも厚く、ライン４０２及び４０３に関連付けられるデューティサイクルη_１も、ライン４０４及び４０５に関連付けられるデューティサイクルη_２よりも大きい。ｘ方向に偏光され、ライン４０２〜４０５上に入射する光は、ライン４０４及び４０５によって閉じ込められる入射光の部分よりも相対的に長い時間にわたって、ライン４０２及び４０３によって閉じ込められるようになる。結果として、ライン４０２及び４０３から反射される光の部分は、ライン４０４及び４０５から反射される光の部分よりも大きな位相シフトを取得する。図４の例において示されるように、入射波４０８及び４１０は、概ね
同じ位相でライン４０２〜４０５に突き当たるが、ライン４０２及び４０３から反射される波４１２は、ライン４０４及び４０５から反射される波４１４によって取得される位相φ’よりも相対的に大きな位相シフトφを取得する（すなわち、φ＞φ’）。

図５は、本発明の１つ以上の実施形態による、反射した波面がいかに変化するかを明らかにするライン４０２〜４０５の断面図を示す。図５の例において示されるように、実質的に均一の波面５０２を有する入射光がライン４０２〜４０５に突き当たり、曲がった反射波面５０４を有する反射光を生成する。曲がった反射波面５０４は、入射波面５０２が相対的に大きなデューティサイクルη_１及び厚みｔ_１を有するライン４０２及び４０３と相互作用する部分、及び同じ入射波面５０２が相対的に小さなデューティサイクルη_２及び厚みｔ_２を有するライン４０４及び４０５と相互作用する部分に起因する。反射波面５０４の形状は、ライン４０４及び４０５に突き当たる光によって取得される小さな位相に対する、ライン４０２及び４０３に突き当たる光によって取得される大きな位相に一致する。

図６は、本発明の１つ以上の実施形態による、ＳＷＧ６０２の特定の回折格子パターンによって生成される例示的な位相変化等高線図６００の等角図を示す。等高線図６００は、ＳＷＧ６０２から反射された光によって取得される位相変化の大きさを表す。図６において示される例では、ＳＷＧ６０２の回折格子パターンは、ＳＷＧ６０２の中心付近において反射された光によって取得される位相の大きさが最も大きく、ＳＷＧ６０２の中心から離れると、反射光によって取得される位相の大きさが減少する等高線図６０２を生成する。例えば、サブパターン６０４から反射された光はφ_１の位相を取得し、サブパターン６０６から反射された光はφ_２の位相を取得する。φ_１はφ_２よりもはるかに大きいので、サブパターン６０６から反射された光は、サブパターン６０８から反射された光よりもはるかに大きな位相を取得する。

位相変化は更に、ＳＷＧから反射された光の波面を形作る。例えば、図４及び図５を参照して上記で説明されたように、相対的に大きなデューティサイクルを有するラインは、相対的に小さなデューティサイクルを有するラインよりも、反射光内に大きな位相シフトを引き起こす。結果として、第１のデューティサイクルを有するラインから反射された波面の第１の部分は、相対的に小さな第２のデューティサイクルを有するように構成された異なる１組のラインから反射された同じ波面の第２の部分に遅れる。本発明の実施形態は、ＳＷＧが集光鏡のような特定の光学的特性を有する鏡として動作できるように、ＳＷＧのパターンを形成して、位相変化を、そして最終的には、反射波面の形状を制御することを含む。

図７は、本発明の１つ以上の実施形態による、集光鏡として動作するように構成されるＳＷＧ７０２の側面図を示す。図７の例において、ＳＷＧ７０２は、ｘ方向に偏光された入射光が反射され、その波面が反射光を焦点７０４において合焦させることに対応するような回折格子パターンを用いて構成される。

非周期的なサブ波長回折格子を構成する
本発明の実施形態は、回折格子層の各ＳＷＧを鏡として動作するように構成することができるいくつかの方法を含む。所望の波面を有する光を反射するようにＳＷＧを構成するための第１の方法は、ＳＷＧの回折格子層のための反射係数プロファイルを求めることを含む。反射係数は、以下の式によって表される複素数値関数である。

ただし、Ｒ（λ）はＳＷＧの反射率であり、φ（λ）はＳＷＧによって引き起こされる位相シフト又は位相変化である。図８は、本発明の１つ以上の実施形態による、一例のＳＷＧのための入射光波長の範囲にわたる反射率及び位相シフトのプロットを示す。この例では、回折格子層は、１次元回折格子を有するように構成され、回折格子層のラインに対して垂直に偏光された電界成分を有する垂直入射において動作する。図８の例では、約１．２μｍから約２．０μｍの波長範囲にわたる入射光の場合に、曲線８０２は反射率Ｒ（λ）に対応し、曲線８０４はＳＷＧによって引き起こされる位相シフトφ（λ）に対応する。反射率及び位相曲線８０２及び８０４は、既知の有限要素法、又は厳密結合波解析のいずれかを用いて求めることができる。ＳＷＧ及び空気の屈折率コントラストが強いことに起因して、ＳＷＧは、高い反射率８０６の広いスペクトル領域を有する。しかしながら、曲線８０４は、反射光の位相が、破線８０８と８１０との間の高反射率のスペクトル領域全体にわたって変動することを明らかにする。

ラインの周期及び幅の空間寸法がファクタαによって一様に変更されるとき、反射係数プロファイルは実質的に変更されないが、波長軸はファクタαによってスケーリングされる。言い換えると、回折格子が自由空間波長λ_０において特定の反射係数Ｒ_０を有するように設計されているとき、異なる波長λにおいて同じ反射係数を有する新たな回折格子は、周期、ライン厚及びライン幅のような全ての回折格子幾何パラメータにファクタα＝λ／λ_０を乗算し、ｒ（λ）＝ｒ_０（λ／α）＝ｒ_０（λ_０）を与えることによって設計することができる。

加えて、高反射率スペクトル窓８０６内で元の周期的回折格子のパラメータを不均一にスケーリングすることによって、｜Ｒ（λ）｜→１であるが、空間的に位相が変動するように回折格子を設計することができる。横方向座標（ｘ，ｙ）を用いて、ＳＷＧ上の或る点から反射された光の部分に位相φ（ｘ，ｙ）を導入することが望まれると仮定する。徐々に変化する回折格子スケールファクタα（ｘ，ｙ）を有する不均一な回折格子が、点（ｘ，ｙ）付近において、反射係数Ｒ_０（λ／α）を有する周期的回折格子であるかのように局所的に挙動する。したがって、或る波長λ_０において位相φ_０を有する周期的回折格子設計を考えると、局所的スケールファクタα（ｘ，ｙ）＝λ／λ_０を選択することによって、動作波長λにおいてφ（ｘ，ｙ）＝φ_０が与えられる。例えば、ＳＷＧ設計において点（ｘ，ｙ）から反射された光の一部に約３πの位相を導入することが望まれるが、その点（ｘ，ｙ）のために選択されたライン幅及び周期が約πの位相を導入するものと仮定する。図８のプロットを再び参照すると、所望の位相φ_０＝３πは曲線８０４上の点８１２及び波長λ_０≒１．６７μｍ８１４に対応し、点（ｘ，ｙ）に関連付けられる位相πは、曲線８０４上の点８１６及び波長λ≒１．３４μｍに対応する。したがって、スケールファクタは、α（ｘ，ｙ）＝λ／λ_０＝１．３４／１．６７＝０．８０２であり、動作波長λ＝１．３４μｍにおいて所望の位相φ_０＝３πを得るために、ファクタαを乗算することによって、点（ｘ，ｙ）におけるライン幅及び周期を調整することができる。

図８に示される反射率及び位相シフト対波長範囲のプロットは、ＳＷＧの特定の点から反射された光に特定の位相を導入するために、ライン幅、ライン厚及び周期のようなＳＷＧのパラメータを求めることができる１つの方法を表す。他の実施形態では、ＳＷＧを構成するために、周期及びデューティサイクルの関数としての位相変動を用いることができる。図９は、本発明の１つ以上の実施形態による、ＳＷＧを構成するために用いることができる、周期及びデューティサイクルの関数としての位相変動の位相等高線プロットを示す。図９に示される等高線プロットは、既知の有限要素法又は厳密結合波解析のいずれかを用いて生成することができる。等高線９０１〜９０３のような等高線はそれぞれ、その等高線に沿ったいずれかの場所に位置する、或る周期及びデューティサイクルを有する回折格子パターンから反射した光によって取得される特定の位相に対応する。それらの位相等高線は、０．２５πｒａｄだけ離隔される。例えば、等高線９０１は、反射光に−０．
２５πｒａｄの位相を加える周期及びデューティサイクルに対応し、等高線９０２は、反射光に−０．５πｒａｄの位相を加える周期及びデューティサイクルに対応する。−０．２５πｒａｄと−０．５πｒａｄとの間の位相が、等高線９０１と９０２との間に位置する、周期及びデューティサイクルを有するＳＷＧから反射した光に加えられる。７００ｎｍの回折格子周期及び５４％のデューティサイクルに対応する第１の点（ｐ，η）９０４、及び６６０ｎｍの回折格子周期及び６０％のデューティサイクルに対応する第２の点（ｐ，η）９０６はいずれも等高線９０１上に位置し、同じ位相シフト−０．２５πを引き起こすが、異なるデューティサイクル及びライン周期間隔を有する。

図９は、位相等高線表面上に重なる、それぞれ９５％及び９８％反射率の場合の２つの反射率等高線も含む。破線の等高線９０８及び９１０は９５％反射率に対応し、実線の等高線９１２及び９１４は、９８％反射率に対応する。等高線９０８と９１０との間のいずれかの場所に位置する点（ｐ，η，φ）は９５％の最小反射率を有し、等高線９１２と９１４との間のいずれかの場所に位置する点（ｐ，η，φ）は９８％の最小反射率を有する。

次のサブセクションにおいて以下に説明されるように、位相等高線プロットによって表される点（ｐ，η，φ）を用いて、最小反射率を有する特定のタイプの鏡として動作することができる回折格子のための周期及びデューティサイクルを選択することができる。言い換えると、図９の位相等高線プロットにおいて表されるデータを用いて、ＳＷＧ光学デバイスを設計することができる。或る実施形態では、周期又はデューティサイクルを固定する一方、他のパラメータを変更して、ＳＷＧを設計し、作製することができる。他の実施形態では、周期及びデューティサイクルの両方を変更して、ＳＷＧを設計し、作製することができる。

或る実施形態では、回折格子層のＳＷＧを、一定の周期及び可変のデューティサイクルを有する円筒鏡として動作するように構成することができる。図１０Ａは、本発明の１つ以上の実施形態による、回折格子層１００２内に形成され、ｘ方向に対して平行に偏光された入射光のための集光円筒鏡として動作するように構成される１次元ＳＷＧ１０００の平面図を示す。図１０Ａは、網掛け領域１００４〜１００７のような網掛け領域を含み、各網掛け領域は異なるデューティサイクルを表しており、領域１００４のような濃い網掛け領域は、領域１００７のような薄い網掛け領域よりも相対的に大きさデューティサイクルを有する領域を表す。また、図１０Ａは、サブ領域の拡大図１０１０〜１０１２も含み、それらの拡大図は、それらのラインがｙ方向において平行であり、ライン周期間隔ｐがｘ方向において一定であるか、又は固定されていることを明らかにする。また、拡大図１０１０〜１０１２は、デューティサイクルηが中央から離れると減少することも明らかにする。ＳＷＧ１０００は、図７を参照して上記で説明されたように、ｘ方向に偏光された反射光を焦点に合焦させるように構成される。また、図１０Ａは、焦点における反射ビームプロファイルの等高線プロットである等角図１００８及び平面図１０１０の例も含む。Ｖ軸１０１２はｙ方向に対して平行であり、反射ビームの垂直成分を表し、Ｈ軸１０１４はｘ方向に対して平行であり、反射ビームの水平成分を表す。反射ビームプロファイル１００８及び１０１０は、ｘ方向に偏光された入射光の場合、ＳＷＧ１０００は、ラインに対して垂直な方向（「Ｈ」又はｘ方向）において狭く、ラインに対して平行な方向（「Ｖ」又はｙ方向）において広いガウス形状ビームを反射することを示す。

或る実施形態では、ＳＷＧの中心から離れた回折格子層のラインにテーパーを付けることによって、一定の周期を有するＳＷＧを、入射偏光のための球面鏡として動作するように構成することができる。図１０Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態による、回折格子層１０２２内に形成され、ｘ方向に偏光された入射光のための集光球面鏡として動作するように構成される１次元ＳＷＧ１０２０の平面図を示す。ＳＷＧ１０２０は、円形の鏡径を
画定する。ＳＷＧ１０２０の回折格子パターンは、環状の網掛け領域１０２４〜１０２７によって表される。各網掛け環状領域は、ラインの異なる回折格子サブパターンを表す。拡大図１０３０〜１０３３は、ラインがｙ方向においてテーパーを付けられ、ｘ方向において一定のライン周期間隔ｐを有することを明らかにする。詳細には、拡大図１０３０〜１０３２は、ｙ方向において破線基準線１０３６に対して平行に延在する同じラインの拡大図である。拡大図１０３０〜１０３２は、周期ｐが固定されていることを示す。各環状領域は、同じデューティサイクルηを有する。例えば、拡大図１０３１〜１０３３は、実質的に同じデューティサイクルを有する環状領域１０２６内の異なるラインの部分を含む。結果として、環状領域の各部分は、環状領域から反射した光に概ね同じ位相シフトを与える。例えば、環状領域１０２６内のいずれかの場所から反射した光は、実質的に同じ位相シフトφを取得する。図１０Ｂは、焦点における反射ビームプロファイルの等高線プロットである等角図１０３８及び平面図１０３９の例も含む。ビームプロファイル１０３８及び１０３９は、球形ＳＷＧ１０２０がＳＷＧ１０００の反射ビームよりもＶ方向又はｘ方向において狭い対称なガウス形反射ビームを生成することを明らかにする。

ＳＷＧ１０００及び１０２０は、本発明の１つ以上の実施形態に従って構成することができる回折格子層の２つのみ又は多数の異なる種類のＳＷＧを表す。回折格子層の各ＳＷＧは、異なる反射特性を有するように構成することができる。

レーザ動作及び共振器構成
ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬは同じように動作するので、ＶＣＳＥＬアレイ１００の１つのＶＣＳＥＬのみの動作が説明される。図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態に従って動作するＶＣＳＥＬアレイ１００の１つの空洞共振器の断面図を示す。図１１Ａに示されるように、電極１１４及び１０８が、発光層１０２を電子的にポンピングするために用いられる電圧源１１０２に電子的に結合される。図１１Ａは、ＳＷＧ１１０６の一部、空隙１１０８、発光層１０２の一部及びＤＢＲ１０４の一部の拡大図１１０４を含む。ＳＷＧ１１０６は、ＳＷＧ１３２〜１３５のうちの１つを表す。ＶＣＳＥＬアレイ１００にバイアスがかけられないとき、ＱＷ２１０は、対応する伝導帯内に相対的に低い濃度の電子、及び対応する価電子帯内に相対的に低い濃度の空電子状態、すなわち、正孔を有し、発光層１０２から光はほとんど放射されない。一方、ＶＣＳＥＬアレイ１００の層に順方向バイアスがかけられるとき、ＱＷ２１０の伝導帯内に電子が注入され、一方、ＱＷ２１０の価電子帯内に正孔が注入され、反転分布と呼ばれるプロセスにおいて、過剰な伝導帯電子及び過剰な価電子帯正孔を生成する。「電子−正孔再結合」又は「再結合」と呼ばれる放射プロセスにおいて、伝導帯内の電子は価電子帯内の正孔と自発的に再結合する。電子及び正孔が再結合するとき、最初に、或る波長範囲にわたって全ての方向において光が放射される。順バイアス方向において、適切な動作電圧が印加される限り、ＱＷ２１０において電子及び正孔反転分布が保持され、電子が正孔と自発的に再結合し、ほぼ全ての方向において光を放射することができる。

上記のように、ＳＷＧ１１０６及びＤＢＲ１０４は、矢印１１０８によって示されるように、発光層１０２に対して実質的に垂直に、狭い波長範囲にわたって放射される光を反射して、発光層１０２の中に戻す共振器を形成するように構成することができる。反射してＱＷ２１０の中に戻された光は、連鎖反応において、ＱＷ２１０から更なる光の放射を誘導する。発光層１０２は最初に自然放出によって或る範囲の波長にわたって光を放射するが、ＳＷＧ１１０６は波長λ_ｉを選択して反射し、発光層１０２の中に戻して、誘導放出を引き起こすことに留意されたい。ただし、ｉは１、２、３又は４に等しい。この波長は、縦モード、軸モード、又はｚ軸モードと呼ばれる。経時的に、利得が縦モードによって飽和状態になり、縦モードが、発光層１０２からの光放射を支配し始め、他の縦モードは消滅する（decay）。言い換えると、ＳＷＧ１１０６とＤＢＲ１０４との間で反射して
往復しない光は、共振器によってサポートされる縦モードが支配し始めるのに応じて、感
知できるほど増幅されることなくＶＣＳＥＬアレイ１００から漏出し、最終的には消滅する。図１１Ｂに示されるように、ＳＷＧ１１０６とＤＢＲ１０４との間で反射した支配的な縦モードは、発光層１０２を横切って往復するのに応じて増幅され、定在波１１１０を生成し、その定在波はＳＷＧ１１０６内で終端し、ＤＢＲ１０４の中に延在する。最終的に、ＳＷＧ１１０６から、波長λ_ｉを有する実質的にコヒーレントな光ビーム１１１２が現れる。発光層１０２から放射される光は、ＤＢＲ１０４及びＳＷＧ１１０６に入り込み、共振器内の光の往復位相への寄与を加える。ＤＢＲ１０４及びＳＷＧ１１０６は、空間をシフトして実効的な追加位相シフトを与える完全な鏡と考えることができる。

ＶＣＳＥＬアレイの各ＳＷＧは、発光層１０２から放射される異なる縦モードの光を選択するように構成することができる。図１２は、本発明の１つ以上の実施形態による、波長λを中心にして発光層１０２から放射される光の輝度又は利得プロファイル１２０４の一例のプロット１２０２を示す。図１２は、４つの異なる単一共振器モードの一例のプロット１２０６を含み、各単一共振器モードは異なるＶＣＳＥＬのＶＣＳＥＬアレイ１００に関連付けられる。例えば、プロット１２０６内のピークは、単一縦共振器モードλ_１、λ_２、λ_３及びλ_４を表し、それはＳＷＧ１３２〜１３５及びＤＢＲ１０４によってそれぞれ形成される４つの共振器に関連付けられる。発光層１０２は、輝度プロファイル１２０４によって表される広範囲の波長を放射して利用できるようにし、各ＶＣＳＥＬに関連付けられる共振器は、そのプロファイルから、プロット１２０６において表される縦単一共振器モードのうちの１つを選択する。各縦モードは、関連するＶＣＳＥＬの共振器内で増幅され、図１１を参照して上記で説明されたように放射される。例えば、プロット１２０８は、ＶＣＳＥＬアレイ１００の４つのＶＣＳＥＬから放射される波長の輝度プロファイルを示す。プロット１２０８において示されるように、各縦モードは実質的に同じ輝度で放射することができる。

ＶＣＳＥＬアレイはＶＣＳＥＬ毎に異なる波長を放射するように示されるが、本発明の実施形態は、そのように限定されることを意図していないことに留意されたい。他の実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイの全てのＶＣＳＥＬを含む、ＶＣＳＥＬの任意の組み合わせを、同じ波長を放射するように構成することができる。

先行するサブセクション「非周期的なサブ波長回折格子を構成する」において上記で説明されたように、回折格子層の各ＳＷＧは、内部縦共振器モード又は内部ｚ軸共振器モードを実現し、凹面鏡として動作するように構成することができる。図１３は、本発明の１つ以上の実施形態による、ＶＣＳＥＬアレイ１００内のＶＣＳＥＬの空洞共振器の構成を概略的に表す平凹共振器１３０２を示す。平凹共振器１３０２は、平面鏡１３０４及び凹面鏡１３０６を含む。ＶＣＳＥＬアレイ１００のＤＢＲ１０４は、平面鏡１３０４に対応し、ＳＷＧ１１０６は、上記のように、ＳＷＧ１１０６とＤＢＲ１０４との間の発光層１０２の領域内で光が集中するように光を反射する凹面鏡として動作するように構成することができる。例えば、ＳＷＧ１１０６は、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて表される輝度プロファイルの光を反射するように構成することができる。

ＶＣＳＥＬアレイのＶＣＳＥＬはそれぞれ、異なる偏光共振器モードを放射するように構成することができる。例えば、或るＶＣＳＥＬは、種々の方向に偏光された光を放射するように構成することができ、一方、他のＶＣＳＥＬは無偏光の光を放射するように構成することができる。先行するサブセクション「非周期的なサブ波長回折格子を構成する」において上記で説明されたように、ＳＷＧのライン及び溝に対して実質的に垂直に偏光された光を反射するようにＳＷＧを構成することができる。言い換えると、空洞共振器のＳＷＧは、発光層から放射される光のうち、特定の偏光を有する成分を選択する。発光層から放射される光の偏光成分は、ＳＷＧによって選択され、反射して共振器内に戻される。利得が飽和状態になるとき、ＳＷＧによって選択された偏光を有する縦モードのみが増幅
される。ＳＷＧによって選択されない発光層から放射される縦モードは、感知できるほど増幅されることなくＶＣＳＥＬアレイ１００から漏出する。言い換えると、ＳＷＧによって選択された偏光以外の偏光を有するモードは消滅し、共振器によって増幅されない。最終的に、ＳＷＧによって選択された方向に偏光されたモードのみがＶＣＳＥｌアレイから放射される。

図１４は、本発明の１つ以上の実施形態による、ＶＣＳＥＬアレイ１００の１つのＶＣＳＥＬから放射される偏光された光の一例を示す。発光層１０２から放射される光は偏光されない。しかしながら、経時的に、利得が飽和するのに応じて、ＳＷＧ１３２によって１つの偏光状態が選択される。ＶＣＳＥＬアレイ１００内からＳＷＧ１３２上に入射する両方向矢印１４０２は、ＳＷＧ１３２によって選択された偏光状態を表す。ＳＷＧ１３２は、上記のように、ｙ方向に対して平行に延在するライン及び溝を有するように構成することができる。図１４の例では、ＳＷＧ１３２は、ｘ方向に偏光された、発光層１０２から放射された縦モードのみを選択する。偏光された光は、図１１を参照して上記で説明されたように、ＳＷＧ１３２及びＤＢＲ１０４によって形成された共振器内で増幅される。図１４の例において示されるように、ＳＷＧ１３２を通して放射される光は、両方向矢印１４０４によって表されるように、ｘ方向に偏光される。

ｚ方向に沿って共振器によってサポートされる定在波に対応する、振動の特定の縦モード又は軸モードをサポートすることに加えて、各共振器によって横モードもサポートすることができる。横モードは共振器又はｚ軸に対して垂直であり、ＴＥＭ_ｎｍモードとして知られる。ただし、ｍ及びｎの下付き文字は、出現するビームを横切るｘ及びｙ方向における横方向の節線の整数である。言い換えると、共振器内で形成されるビームは、その断面において、１つ以上の領域に分割することができる。ＳＷＧは、１つ又は特定の横モードのみをサポートするように構成することができる。

図１４は、本発明の１つ以上の実施形態による、ＳＷＧ１４０８及びＤＢＲ１０４によって形成される共振器１４０６内で生成される２つの横モードの一例も示す。ＳＷＧ１４０８は、ＳＷＧ１３２〜１３５のうちのいずれか１つを表すことができる。上記のように、ＳＷＧ１４０８は、共振器のサイズを画定するように構成することができる。図１４に示されるように、ＴＥＭ_００モードは、破線の曲線１４１０によって表され、ＴＥＭ_１０モードは、実線の曲線１４１２によって表される。ＴＥＭ_００モードは節を有さず、完全に共振器１４０６内に存在する。一方、ＴＥＭ_１０モードは、ｘ方向において１つの節を有し、部分１４１４及び１４１６が共振器１４０６の外側に存在する。結果として、利得飽和中に、ＴＥＭ_００モードは、共振器１４０６内に完全に存在するので増幅される。しかしながら、ＴＥＭ_１０モードの一部は共振器１４０６の外側に存在するので、利得飽和中にＴＥＭ_１０モードは減少し、最終的には消滅するが、ＴＥＭ_００モードは増幅し続ける。共振器１４０６によってサポートすることができないか、又は共振器１４０６内に完全には存在することができない他のＴＥＭ_ｍｎモードも消滅する。

図１４は、本発明の１つ以上の実施形態による、ＶＣＳＥＬアレイ１００の１つのＶＣＳＥＬから放射されるＴＥＭ_００の輝度プロファイルの等高線プロット１４１８を示す。ＴＥＭ_００は、ほぼ平坦なコヒーレントな波面を有し、かつ等高線プロット１４１８によって表されるガウス横方向放射照度プロファイルを有するように、ＳＷＧ１３３から現れる。輝度プロファイルはｚ軸について対称である。外部ＴＥＭ_００モードは内部ＴＥＭ_００モードに対応しており、図１０Ｂを参照して上記で説明されたような球面鏡として動作するように構成されるＳＷＧ１３３によって生成することができる。他の実施形態では、ＳＷＧ１３３は、図１０Ａを参照して上記で説明されたように、ＳＷＧ１３３のラインに対して垂直な方向（ｘ方向）において狭く、ＳＷＧ１３３のラインに対して平行な方向（ｙ方向）において広い最低次の横モードＴＥＭ_００を生成する円筒鏡として動作するよう
に構成することができる。ファイバのコアがＳＷＧ１３３に極めて近接して位置するようにファイバを配置することによって、ＴＥＭ_００モードは光ファイバのコアに結合することができる。また、ＳＷＧ１３３は、中空導波路のＥＨ_１１モードのような、中空導波路内に結合するのに適している横モードを放射するように構成することもできる。

ＳＷＧは、特定の輝度プロファイルパターンを有する光ビームを生成するように構成することができる。図１４は、ＶＣＳＥＬから放射される光ビームの一例の断面図１４２０を示す。断面図１４２０は、ビームの長さに沿って、ドーナツ形の輝度プロファイルを有する光ビームを明らかにする。線１４１４に沿った放射ビームの輝度プロファイルは、円筒形ビームを明らかにする。ＳＷＧは、エアリービーム又はベッセルビームプロファイルのような、他の種類の断面ビームパターンを生成するように構成することもできる。

図１及び図２に戻ると、絶縁層１１０は電流及び光の閉じ込めを提供するように構成される。しかしながら、図１３を参照して上記で説明されたように、ＳＷＧとＤＢＲとの間に位置する発光層の領域に反射光を閉じ込めるように、ＳＷＧを構成することができるので、本発明のＶＣＳＥＬアレイ実施形態は絶縁層１１０を含むことには限定されない。図１５Ａ及び図１５Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される一例のＶＣＳＥＬアレイ１５００の等角図及び線Ｂ−Ｂに沿った断面図を示す。ＶＣＳＥＬアレイ１００の絶縁層１１０がＶＣＳＥＬアレイ１５００では存在しないことを除いて、ＶＣＳＥＬアレイ１５００はＶＣＳＥＬアレイ１００に類似している。代わりに、回折格子層１１２の各ＳＷＧが、ＳＷＧとＤＢＲ１０４との間に位置する発光層１０２の領域内に反射光を誘導するように構成される。

本発明の実施形態に従って構成されるＶＣＳＥＬの高さ及び共振器長は、２つのＤＢＲを用いて構成される従来のＶＣＳＥＬの高さ及び共振器長よりも著しく短いことに留意されたい。例えば、通常のＶＣＳＥＬ ＤＢＲは、いずれかの場所に、約５μｍ〜約６μｍに相当する約１５〜約４０のＤＢＲ対を有し、一方、ＳＷＧは約０．２μｍ〜約０．３μｍの範囲の厚みを有し、同等又はより高い反射率を有する。

本発明の更に別の実施形態では、２つの回折格子層を用いることによって、ＶＣＳＥＬアレイの高さを更に低くすることができる。図１６Ａ及び図１６Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される一例のＶＣＳＥＬアレイ１６００の等角図及び線Ｃ−Ｃに沿った断面図を示す。ＤＢＲ１０４が第２の回折格子層１６０２で置き換えられることを除いて、ＶＣＳＥＬアレイ１６００はＶＣＳＥＬアレイ１００に類似している。図１６Ｂに示されるように、回折格子層１１２及び１６０２のＳＷＧは空洞共振器を形成するように位置合わせされる。例えば、ＳＷＧ１３２及び１６０４が空洞共振器を形成する。回折格子層１６０２のＳＷＧは、１次元又は２次元の回折格子パターンを有し、上記の回折格子層１１２のＳＷＧと同様に動作するように構成することができる。回折格子層のＳＷＧ対は、球形共振器として動作し、反射光を発光層１０２の領域内に誘導するように構成することができるので、絶縁層１１０が不要になる可能性がある。

本発明の実施形態は、ＶＣＳＥＬアレイの各ＶＣＳＥＬから出力される光の波長を導波路内に伝搬させるためのレーザシステムを含む。図１７は、本発明の１つ以上の実施形態に従って構成される一例のレーザシステム１７００の等角図を示す。システム１７００は、７つのＶＣＳＥＬ１７０２〜１７０８を含むモノリシックＶＣＳＥＬアレイ１７０１と、７つの導波路１７１２〜１７１８を含む多導波路ファイバ（multiple waveguide fiber）１７１０とを含む。図１７の例において示されるように、７つのＶＣＳＥＬ１７０２〜１７０８は、導波路１７１２〜１７１８の構成と一致するように配置され、矢印によって示されるように、各ＶＣＳＥＬから放射される光が導波路の中に直接結合できるようにする。例えば、その導波路は光ファイバの単一モードコアとすることができ、ＶＣＳＥＬ１
７０２〜１７０８は、対応するコアに直接結合する、図１４を参照して上記で説明されたような、ＴＥＭ_００のような単一モードを出力するように構成することができる。

或る特定の実施形態において、ファイバ１７１０はフォトニック結晶ファイバとすることができる。図１７は、７つのコア１７１４を含むフォトニック結晶ファイバ１７１２の平面図を含む。各コアは、ファイバの長さに及ぶ中空のチューブ１７１５によって包囲される。中空のチューブ１７１５は、より高次の屈折率コア１７１４に光を閉じ込めるクラッディング層としての役割を果たす。光をファイバ１７１２のコアの中に結合するために、ＶＣＳＥＬ１７０２〜１７０８がファイバ１７１２のコア１７１４と位置合わせされるように、ＶＣＳＥＬアレイ１７０１を構成することができる。

他の実施形態では、ＶＣＳＥＬアレイによって生成される光を搬送するために、フォトニック結晶ファイバを用いるのではなく、ＶＣＳＥＬが中空導波路によってサポートされるモードと一致する光のモードを出力するように構成されることを条件として、一群の中空導波路を用いることもできる。

本発明を十分に理解してもらうために、説明の便宜上、これまでの説明は特有の用語を使用した。しかしながら、本発明を実施するために、具体的な細部が不要であることは当業者には明らかであろう。本発明の具体的な実施形態のこれまでの説明は、例示し、説明するために提示された。それらの実施形態は、本発明を網羅することも、本発明を開示されるのと全く同じ形に限定することも意図していない。上記の教示に鑑みて、明らかに、数多くの変更及び変形が可能である。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実用的な応用例を最もわかりやすく説明し、それにより、意図した特定の用途に相応しいように種々の変更を加えながら、当業者が本発明及び種々の実施形態を最大限に利用できるようにするために、図示及び説明された。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって規定されることが意図されている。

Claims (15)

1. モノリシック面発光レーザアレイであって、
   反射層と、
   発光層（１０２）と、
   ２つ以上の非周期的なサブ波長回折格子を用いて構成される回折格子層（１１２）と
   を備えてなり、各回折格子は前記反射体とともに空洞共振器を形成するように構成され、各回折格子は、１つ以上の内部共振器モードを実現し、かつ前記回折格子を通って放射される１つ以上の外部横モードを実現する回折格子パターンを用いて構成される、モノリシック面発光レーザアレイ。
2. 前記反射層上に配置される基板（１０６）と、
   前記基板上に配置される第１の電極（１０８）と、
   前記回折格子層上に配置される第２の電極（１１４）であって、該第２の電極は２つ以上の開口部を有するように構成され、各開口部は前記２つ以上のサブ波長回折格子のうちの１つを露出させるように構成される、第２の電極（１１４）と
   を更に備える、請求項１に記載のレーザアレイ。
3. 前記反射層は分布ブラッグ反射体（１０４）を更に備える、請求項１に記載のレーザアレイ。
4. 前記反射層は、２つ以上の非周期的なサブ波長回折格子（１６０４）を用いて構成される第２の回折格子層（１６０２）を更に備えており、該第２の回折格子層内の各サブ波長回折格子は、前記回折格子層内の１つのサブ波長回折格子又は前記２つ以上のサブ波長回折格子と位置合わせされる、請求項１に記載のレーザアレイ。
5. 前記回折格子パターンは溝（３００）によって分離されるラインの１次元パターンを更に備える、請求項１又は４に記載のレーザアレイ。
6. 前記回折格子パターンは２次元回折格子パターンを備える、請求項１又は４に記載のレーザアレイ。
7. 各サブ波長回折格子は、該サブ波長回折格子と前記発光層との間に空隙（２１６、２１７）を形成する、浮いた状態で支持される膜（１３２、１３３）を更に備える、請求項１に記載のレーザアレイ。
8. 前記発光層と前記回折格子層との間に配置される絶縁層（１１０）を更に備え、電流を閉じ込めるとともに前記発光層から放射される光を光学的に閉じ込めるための、前記サブ波長回折格子と位置合わせされる２つ以上の開口部（１２６〜１２８）を含む、請求項１に記載のレーザアレイ。
9. 各空洞共振器内で増幅され、該空洞共振器から放射される光は、対応する各サブ波長回折格子の回折格子パターンに基づいて偏光されるか又は偏光されない、請求項１に記載のレーザアレイ。
10. 前記回折格子層の２つ以上のサブ波長回折格子は、単一モードの光を放射するための単一モード空洞共振器を形成するように構成される、請求項１に記載のレーザアレイ。
11. １つ以上の内部共振器モードを実現する回折格子パターンを用いて構成される各サブ波長回折格子は、結果としてドーナツ形の輝度断面を有する光ビームを生成する回折格子パ
    ターンを更に備える、請求項１に記載のレーザアレイ。
12. １つ以上の前記サブ波長回折格子は、前記反射体を用いる半球形共振器（１３０２）を形成するように構成することができる、請求項１に記載のレーザアレイ。
13. レーザシステム（１７００）であって、
    請求項１に従って構成される２つ以上の面発光層を含むモノリシック面発光レーザアレイ（１７０１）と、
    多導波路ファイバ（１７１０）と
    を備えており、各面発光層から放射される光が対応する導波路の中に結合され、該導波路によって伝搬されるように、各導波路は前記レーザアレイの面発光レーザと位置合わせされる、レーザシステム。
14. 前記多導波路ファイバは、複数のコア（１７１４）を有するように構成されるフォトニック結晶ファイバ（１７１０）を更に備え、各コアは前記レーザアレイの面発光レーザと位置合わせされる、請求項１３に記載のレーザシステム。
15. 前記多導波路ファイバは一群の中空導波路を更に備え、各中空導波路は前記レーザアレイの面発光レーザと位置合わせされる、請求項１３に記載のレーザシステム。

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